تأثیر بیوچار تفاله هویج بر جذب سطحی کادمیم و سرب در یک خاک اسیدی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

گروه علوم خاک. دانشکده کشاورزی. دانشگاه بوعلی سینا. همدان. ایران

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: آلودگی خاک با فلزات سنگین به دلیل اثرات نامطلوب آن بر سلامت اکوسیستم و امنیت غذایی به یک نگرانی جهانی تبدیل شده است. مواد اصلاحی خاک از جمله بیوچار می‌تواند زیست فراهمی فلزات سنگین در خاک‌های آلوده و خطر ورود آن‌ها به زنجیره غذایی را کاهش دهد. بیوچار یک ماده غنی از کربن است که از گرماکافت زیست توده، مانند بقایای کشاورزی و کودهای دامی در شرایط بدون اکسیژن یا با میزان اکسیژن محدود به دست می‌آید. مطالعات اخیر نشان داده است که بیوچار به دلیل ساختار متخلخل، گروه‌های عاملی فعال، pH و ظرفیت تبادل کاتیونی بالا، پتانسیل لازم برای تثبیت فلزات سنگین در خاک را دارد. در کشور، اکثر مطالعات بر روی بیوچار مربوط به خاک‌های آهکی و یا محلول‌های آبی است و بیوچار به عنوان یک جاذب کارا در جذب سطحی فلزات سنگین در خاک‌های اسیدی کمتر مورد توجه قرار گرفته است. هدف از انجام این پژوهش بررسی تأثیر کاربرد بیوچار تفاله هویج بر ویژگی‌های خاک اسیدی و جذب سطحی کادمیم و سرب در خاک می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش بیوچار تفاله هویج از طریق گرماکافت در دمای ℃ 550 به مدت 3 ساعت با نرخ افزایش دمای 25 درجه سانتیگراد بر دقیقه تهیه شد. بیوچار تفاله هویج در سطوح صفر، 4 و 8 درصد به خاک اسیدی افزوده و به مدت 60 روز خوابانده شد. پس از دوره خواباندن به منظور بررسی اثر زمان بر جذب سطحی کادمیم و سرب، ۲۵ میلی‌لیتر از محلول ۴۰۰ میلی‌گرم بر لیتر کادمیم و سرب به 1 گرم از نمونه‌های خاک اضافه شد و نمونه‌ها برای زمان‌های مختلف (4، 8، 12، 16، 20، 24، 28، 32، 36 و 40 ساعت) تکان داده شدند. سپس غلظت کادمیم و سرب اندازه‌گیری شد. مدل‌های سینتیک شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم و الوویچ بر داده‌های جذب برازش داده شدند. به منظور تعیین همدماهای جذب سطحی، 2۵ میلی‌لیتر از محلول کادمیم و سرب با غلظت‌های مختلف (صفر تا 400 میلی‌گرم بر لیتر) به 1 گرم از نمونه‌های خاک اضافه شد و سپس نمونه‌ها به مدت 24 ساعت تکان داده شدند و در نهایت مدل‌های همدمای لانگمویر، فروندلیچ و تمکین بر داده‌های جذب برازش داده شدند.
یافته‌ها: کاربرد بیوچار به طور معنی‌داری سبب افزایش pH، ظرفیت تبادل کاتیونی و قابلیت هدایت الکتریکی خاک شد و سطح 8 درصد بیوچار نسبت به سطح 4 درصد، در افزایش pH، ظرفیت تبادل کاتیونی و قابلیت هدایت الکتریکی خاک تأثیر بیشتری داشت. نتایج برازش داده‌های به دست آمده با مدل‌های همدمای جذب سطحی لانگمویر، فروندلیچ و تمکین نشان داد که جذب سطحی کادمیم و سرب بر روی خاک شاهد و خاک تیمار شده با بیوچار با مدل همدمای لانگمویر مطابقت دارد. مدل سینتیک شبه مرتبه دوم به عنوان بهترین معادله سینتیک جذب سطحی کادمیم و سرب معرفی شد. حداکثر ظرفیت جذب سطحی کادمیم و سرب به ترتیب از 647/25 میلی‌گرم بر کیلوگرم و 855/71 میلی‌گرم بر کیلوگرم (در خاک شاهد) به 2078/29 میلی‌گرم بر کیلوگرم و 3182/7 میلی‌گرم بر کیلوگرم (در خاک تیمار شده با 8 درصد بیوچار) افزایش یافت.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان داد که بیوچار تفاله هویج با افزایش pH و ظرفیت تبادل کاتیونی خاک اسیدی سبب افزایش جذب سطحی و کاهش زیست فراهمی کادمیم و سرب در خاک گردید. بنابراین بیوچار تفاله هویج می‌تواند به عنوان یک جاذب مؤثر و ارزان به منظور اصلاح خصوصیات خاک اسیدی و افزایش جذب کادمیم و سرب در خاک استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The effect of carrot pulp derived biochar on the adsorption of cadmium and lead in an acidic soil

نویسندگان [English]

  • Leila Gholami
  • Ghasem Rahimi
Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Abstract
Background and Objectives: Soil contamination with heavy metals has become a global concern because of its adverse effects on ecosystem health and food security. Soil amendments including biochar can reduce the bioavailability of heavy metals in contaminated soils and reduce their risk of entering the food chain. Biochar is a carbon-rich material obtained by pyrolysis of biomass, such as agricultural residues and manures under conditions with little or no oxygen. Recent studies have shown that biochar also has great potential for immobilizing heavy metals in soil, because of its highly porous structure, active functional groups, and generally high pH and cation exchange capacity (CEC). In the country, most of the studies on biochar are related to calcareous soils or aqueous solutions and biochar has received little attention as an efficient adsorbent for the adsorption of heavy metals in acidic soils. The goal of this study was to investigate the effect of biochar derived from carrot pulp on properties of acidic soil and adsorption of lead and cadmium in soil.

Materials and Methods: In this study, biochar derived from carrot pulp was produced through pyrolysis at 550 °C with a heating rate of 25 °C min-1. Carrot pulp biochar was added to acidic soil at 0, 4 and 8% application rates and was incubated for 60 days. After the incubation period, to investigate the effects of time on Cd and Pb adsorption, 25 mL of 400 mg L−1 of Cd and Pb were added to 1gr of soil samples, and then samples were shaken for different times (4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36 and 40 h). Then, the concentration of Cd and Pb were measured. The results were fitted to pseudo-first-order, pseudo-second-order, and Elovich kinetic models. To determine the adsorption isotherms of Cd and Pb, 25 mL of heavy metals solution with concentrations ranging from 0 to 400 mg L−1 were added to 1gr of soil samples, and then samples were shaken for 24 h, and finally the adsorption data were fitted to Langmuir, Freundlich, and Temkin isotherm models.

Results: The application of biochar significantly increased the pH, cation exchange capacity and electrical conductivity of the soil, although the 8% application rate more effective than the 4% application rate in increasing the pH, cation exchange capacity and electrical conductivity of the soil. The results of fitting the data to the Langmuir, Freundlich and Temkin isotherm models showed that Cd and Pb adsorption on the control soil and soil treated with biochar matches with the Langmuir isotherm model. The pseudo-second-order kinetic model was introduced as the best kinetic model of adsorption of Cd and Pb. The maximum adsorption capacity of Cd and Pb increased from 647.25 mg kg-1 and 855.71 mg kg-1 (in control soil) to 2078.29 mg kg-1 and 3182.72 mg kg-1 (in soil treated with 8% biochar), respectively.

Conclusion: This study showed that carrot pulp biochar increased the adsorption of Cd and Pb in acidic soil by increasing the pH and cationic exchange capacity of the soil. Therefore, carrot pulp biochar can be used as an effective and inexpensive adsorbent to improve acidic soil properties and increase the adsorption of Cd and Pb in soil.

Keywords: Biochar, Adsorption, Kinetic, Cadmium, Lead

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biochar
  • Adsorption
  • Kinetic
  • Cadmium
  • Lead

مراجع

1.Abdelhafez, A.A., Li, J., and Abbas, M.H.H. 2014. Feasibility of biochar manufactured from organic wastes on the stabilization of heavy metals in a metal smelter contaminated soil. Chemosphere. 117: 1. 66-71.
2.Bashir, S., Zhu, J., Fu, Q., and Hu,H. 2018. Comparing the adsorption mechanism of Cd by rice straw pristine and KOH-modified biochar. Environ. Sci. Pollut. Res. 25: 12. 11875-11883.
3.Bian, R., Joseph, S., Cui, L., Pan, G., Li, L., Liu, X., Zhang, A., Rutlidge, H., Wong, S., Chia, C., Marjo, C., Gong, B., Munroe, P., and Donne, S. 2014. A three-year experiment confirms continuous immobilization of cadmium and leadin contaminated paddy field withbiochar amendment. J. Hazard. Mater. 272: 121-128.
4.Bower, C.A., and Hatcher, J.T. 2010. Simultaneous Determination of Surface Area and Cation-Exchange Capacity. Soil Sci. Soc. Am. J. 30: 4. 525.
5.Chintala, R., Mollinedo, J., Schumacher, T.E., Papiernik, S.K., Malo, D.D., Clay, D.E., Kumar, S., and Gulbrandson, D.W. 2013. Nitrate sorption and desorption in biochars from fast pyrolysis. Microporous Mesoporous Mater. 179: 250-257.
6.Cui, X., Hao, H., Zhang, C., He, Z., and Yang, X. 2016. Capacity and mechanisms of ammonium and cadmium sorption on different wetland-plant derived biochars. Sci. Total Environ. 539: 566-575.
7.Deng, J., Liu, Y., Liu, S., Zeng, G., Tan, X., Huang, B., Tang, X., Wang, S., Hua, Q., and Yan, Z. 2017. Competitive adsorption of Pb(II), Cd(II) and Cu(II) onto chitosan-pyromellitic dianhydride modified biochar. J. Coll. Interface Sci. 506: 355-364.
8.Elaigwu, S.E., Rocher, V., Kyriakou,G., and Greenway, G.M. 2014.Removal of Pb2+ and Cd2+ from aqueous solution using chars from pyrolysisand microwave-assisted hydrothermal carbonization of Prosopis africana shell. J. Ind. Eng. Chem. 20: 5. 3467-3473.
9.Eren, Z., and Acar, F.N. 2006. Adsorption of Reactive Black 5 from an aqueous solution: equilibrium and kinetic studies. Desalination. 194: 1-3. 1-10.
10.Fathi Dokht, H., Dordipour, E., and Movahedi Naeini, S. 2017. Adsorption and desorption of lead in Iranian acid and alkaline soils amended with sewage sludge-derived biochar. J. Adv. Environ. Heal. Res. 5: 2. 59-69.
11.Fellet, G., Marmiroli, M., and Marchiol, L. 2014. Elements uptake by metal accumulator species grown on mine tailings amended with three typesof biochar. Sci. Total Environ.468-469: 598-608.
12.Feng, Q., Lin, Q., Gong, F., Sugita, S., and Shoya, M. 2004. Adsorption of lead and mercury by rice husk ash. J. Coll. Interface Sci. 278: 1. 1-8.
13.Goswami, R., Shim, J., Deka, S., Kumari, D., Kataki, R., and Kumar, M. 2016. Characterization of cadmium removal from aqueous solution by biochar produced from Ipomoea fistulosa at different pyrolytic temperatures. Ecol. Eng. 97: 444-451.
14.Houben, D., Evrard, L., and Sonnet, P. 2013. Beneficial effects of biochar application to contaminated soils onthe bioavailability of Cd, Pb and Znand the biomass production of rapeseed (Brassica napus L.). Biomass and Bioenergy. 57: 196-204.
15.Jiang, J., Xu, R., Kou, Jiang, T., Yu, and Li, Z. 2012. Immobilization of Cu(II), Pb(II) and Cd(II) by the addition ofrice straw derived biochar to a simulated polluted Ultisol. J. Hazard. Mater.229-230: 145-150.
16.Jiang, T.Y., Jiang, J., Xu, R.K., and Li, Z. 2012. Adsorption of Pb(II) on variable charge soils amended with rice-straw derived biochar. Chemosphere. 89: 3. 249-256.
17.Jia, L., Wang, W., Li, Y., and Yang, L. 2010. Heavy Metals in Soil and Crops of an Intensively Farmed Area: A Case Study in Yucheng City, Shandong Province, China. Int. J. Environ. Res. Public Health. 7: 2. 395-412.
18.Lehmann, J., Gaunt, J., and Rondon,M. 2006. Bio-char Sequestration in Terrestrial Ecosystems - A Review. Mitig. Adapt. Strateg. Glob. Chang.11: 2. 403-427.
19.Liu, H., Xu, F., Xie, Y., Wang, C., Zhang, A., Li, L., and Xu, H. 2018. Effect of modified coconut shell biochar on availability of heavy metals and biochemical characteristics of soil in multiple heavy metals contaminated soil. Sci. Total Environ. 645: 702-709.
20.Lone, M.I., He, Z., Stoffella, P.J., and Yang, X. 2008. Phytoremediation of heavy metal polluted soils and water: Progresses and perspectives. J. Zhejiang Univ. Sci. B. 9: 3. 210-220.
21.Lu, K., Yang, X., Gielen, G., Bolan, N., Ok, Y. S., Niazi, N. K., Xu, S., Yuan, G., Chen, X., Zhang, X., Liu, D., Song, Z., Liu, X., and Wang, H. 2017. Effect of bamboo and rice straw biochars on the mobility and redistribution of heavy metals (Cd, Cu, Pb and Zn) in contaminated soil. J. Environ. Manage. 186: 285-292.
22.Lu, K., Yang, X., Shen, J., Robinson, B., Huang, H., Liu, D., Bolan, N., Pei, J., and Wang, H. 2014. Effect of bamboo and rice straw biochars on the bioavailability of Cd, Cu, Pb and Zn to Sedum plumbizincicola. Agric. Ecosyst. Environ. 191: 124-132.
23.Mandal, S., Sarkar, B., Bolan, N., Ok, Y.S., and Naidu, R. 2017. Enhancement of chromate reduction in soils by surface modified biochar. J. Environ. Manage. 186: 277-284.
24.Mahmoud, M.E., Nabil, G.M., El-Mallah, N.M., Bassiouny, H.I., Kumar, S., and Abdel-Fattah, T.M. 2016. Kinetics, isotherm, and thermodynamic studies of the adsorption of reactive red 195 A dye from water by modified Switchgrass Biochar adsorbent. J. Ind. Eng. Chem. 37: 156-167.
25.Méndez, A., Gómez, A., Paz-Ferreiro,J., and Gascó, G. 2012. Effects of sewage sludge biochar on plant metal availability after application to a Mediterranean soil. Chemosphere.
89: 11. 1354-1359.
26.Moyo, M., Lindiwe, S.T., Sebata, E., Nyamunda, B.C., and Guyo, U. 2016. Equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies on biosorption of Cd(II) from aqueous solution by biochar. Res. Chem. Intermed. 42: 2. 1349-1362.
27.Mohamed, I., Zhang, G., Li, Z., Liu, Y., Chen, F., and Dai, K. 2015. Ecological restoration of an acidic Cd contaminated soil using bamboo biochar application. Ecol. Eng. 84: 67-76.
28.Paranavithana, G.N., Kawamoto, K., Inoue, Y., Saito, T., Vithanage, M., Kalpage, C.S., and Herath, G.B.B. 2016. Adsorption of Cd2+ and Pb2+ onto coconut shell biochar and biochar-mixed soil. Environ. Earth Sci. 75: 6. 484.
29.Paz-Ferreiro, J., Lu, H., Fu, S., Méndez, A., and Gascó, G. 2014. Use of phytoremediation and biochar to remediate heavy metal polluted soils: A review. Solid Earth. 5: 1. 65-75.
30.Park, J.H., Choppala, G., Lee, S.J., Bolan, N., Chung, J.W., and Edraki, M. 2013. Comparative Sorption of Pb and Cd by Biochars and Its Implication for Metal Immobilization in Soils. Water. Air. Soil Pollut. 224: 12. 1711.
31.Pagotto, C., Rémy, N., Legret, M., and Le Cloirec, P. 2001. Heavy Metal Pollution of Road Dust and Roadside Soil near a Major Rural Highway. Environ. Technol. 22: 3. 307-319.
32.Regmi, P., Kumar, S., Garcia Moscoso, J. L., Mao, J., Schafran, G., and Cao, X. 2012. Removal of copper and cadmium from aqueous solution using switchgrass biochar produced via hydrothermal carbonization process. J. Environ. Manage. 109: 61-69.
33.Sun, L., Chen, D., Wan, S., and Yu, Z. 2015. Performance, kinetics, and equilibrium of methylene blue adsorption on biochar derived from eucalyptus saw dust modified with citric, tartaric, and acetic acids. Bioresour. Technol. 198: 300-308.
34.Sun, J., Lian, F., Liu, Z., Zhu, L., and Song, Z. 2014. Biochars derived from various crop straws: Characterization and Cd(II) removal potential. Ecotoxicol. Environ. Saf. 106: 226-231.
35.Tan, X., Liu, Y., Gu, Y., Zeng, G., Wang, X., Hu, X., Sun, Z., and Yang, Z. 2015. Immobilization of Cd(II) in acid soil amended with different biochars with a long term of incubation. Environ. Sci. Pollut. Res. 22: 16. 12597-12604.
36.Whisler, K.M., Rowe, H.I., and Dukes, J.S. 2016. Relationships among land use, soil texture, species richness, and soil carbon in Midwestern tallgrass prairie, CRP and crop lands. Agric. Ecosyst. Environ. 216: 237-246.
37.Xiao, F., Cheng, J., Cao, W., Yang, C., Chen, J., and Luo, Z. 2019. Removal of heavy metals from aqueous solution using chitosan-combined magnetic biochars. J. Coll. Interface Sci.
540: 579-584.
38.Xu, C., Chen, H., xiang, Xiang, Q., Zhu, H., Hua, Wang, S., Zhu, Q., Hong, Huang, D., You, and Zhang, Y. Zhu. 2018. Effect of peanut shell and wheat straw biochar on the availability of Cd and Pb in a soil–rice (Oryza sativa L.) system. Environ. Sci. Pollut. Res.25: 2. 1147-1156.
39.Xu, C., Wen, D., Zhu, Q., Zhu,H., Zhang, Y., and Huang, D. 2017. Effects of Peanut Shell Biochar on the Adsorption of Cd(II) by PaddySoil. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 98: 3. 413-419.
40.Xu, R., Kou, and Zhao, A., Zhen. 2013. Effect of biochars on adsorption of Cu(II), Pb(II) and Cd(II) by three variable charge soils from southern China. Environ. Sci. Pollut. Res.20: 12. 8491-8501.
41.Yang, X., Liu, J., McGrouther, K., Huang, H., Lu, K., Guo, X., He, L., Lin, X., Che, L., Ye, Z., and Wang, H. 2016. Effect of biochar on the extractability of heavy metals (Cd, Cu, Pb and Zn) and enzyme activity in soil. Environ. Sci. Pollut. Res. 23: 2. 974-984.
42.Yuan, J.H., Xu, R.K., and Zhang, H. 2011. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures. Bioresour. Technol. 102: 3. 3488-3497.
43.Zhang, R.H., Li, Z.G., Liu, X.D., Wang, B., Cai, Zhou, G.L., Huang, X.X., Lin, C.F., Wang, A., Hua, and Brooks, M. 2017. Immobilization and bioavailability of heavy metals in greenhouse soils amended with rice straw-derived biochar. Ecol. Eng. 98: 183-188.
44.Zhang, X., Wang, H., He, L., Lu, K., Sarmah, A., Li, J., Bolan, N.S., Pei, J., and Huang, H. 2013. Using biochar for remediation of soils contaminated with heavy metals and organic pollutants. Environ. Sci. Pollut. Res.20: 12. 8472-8483.
45.Zhu, Q., Wu, J., Wang, L., Yang,G., and Zhang, X. 2015. Effect of Biochar on Heavy Metal Speciation of Paddy Soil. Water, Air, Soil Pollut.226: 12. 429.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 27، شماره 2
خرداد و تیر 1399
صفحه 1-23

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار